1960—2005年东北地区降雪变化特征研究
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1 引言
东北地区包括东北三省和内蒙古自治区东部地 区, 这里三面环山, 西面是大兴安岭, 北面是小兴安 岭, 东面是长白山, 中部是我国最大的平原, 地形呈 马蹄形, 地势从北到南依次降低。由于地处北方, 纬 度高, 这里冬季漫长而寒冷, 降雪是冬半年的主要降 水形式。对于降雪的研究, 国内外主要有两种方法: 数值模拟和诊断分析 , 国外主要针对强大的暴风 [ 2 ] 雪进行研究 。我国对降雪的研究相对于暴雨而言 3 ] 要少得多。臧海佳 [ 利用 5 2a 台站资料构建了全国 范围的小雪、 中雪、 大雪、 暴雪和特大暴雪序列, 分析 了中国各强 度 降 雪 的 时 空 变 化 特 征 和 规 律。吉 奇 4 ] 等[ 利用东北地区 1 1 0个台站近 5 0a 的资料研究指 出, 冬季降水呈逐年减少趋势, 但减少的幅度不大。 [ 5 ] 张大旭等 通过总结辽 宁 7次 大 雪 天 气 的 环 流 形 势, 对天气过程的形势特点和预报着眼点进行了归 6 ] 纳总结。肖柏等 [ 利用 3 0a 台站资料分析了黑龙江 降雪天气气候背景, 总结了降雪量的分布、 年际变化 与假相当位温及南北风频率的关系。 I P C C第四次 评估报告指出气候变暖已是不争的事实, 未来随着 温室气体的增加, 冰川和积雪退缩, 北半球高纬地区 变暖, 大气中平均水汽含量都有所增加, 亚洲北部和 7 ] 中部已观测到降水显著增加 [ 。降雪作为降水的一 部分, 也必将受到气候增暖的影响。因此, 研究东北 地区降雪, 对于了解东北地区当前和未来气候变化 有重要的意义。本文利用台站资料, 对东北地区近 4 6a 来降雪的年代际气候变化进行诊断分析, 重点
为了消除要素单位的影响, 进行了标准化。在分析 [ 1 1 ] 降雪序列的突变时, 使用了 Ma n n K e n d a l l 法。其 优点是不需要样本遵从一定的分布, 也不受少数异 常值的干扰。 2 3 全国及东北地区降雪分区 为了更 好 地 研 究 我 国 不 同 地 区 的 降 雪 变 化 特 征, 分析降雪的区域变化特点, 用旋转经验正交函数
收稿日期: 2 0 0 9- 0 9- 0 4 ; 修订日期: 2 0 0 9- 1 0- 2 1 。 基金项目: 国家自然科学基金面上项目( 4 0 7 7 5 0 5 9 ) 资助。 作者简介: 孙秀忠, 男, 1 9 7 3年生, 工程师, 主要从事天气气候方面的研究工作, E m a i l : x i u z h o n g s u n @y a h o o . c n 。
孙秀忠1 孙照渤1 罗勇2
( 1 南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室, 江苏 南京 2 1 0 0 4 4 ; 2 国家气候中心, 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘 要: 利用国家气象信息中心提供的逐日降水和逐日天气现象台站资料, 在运用旋转经验正交函数( R o t a t e dE m p i r i c a l O r t h o g o n a l F u n c t i o n , R E O F ) 和相关分析进行降雪分区的基础上, 研究了近 4 6a 来东北地区降雪的时空分布、 演变特征和长期气 候趋势。结果表明: 东北地区的山地是主要的降雪地区, 而平原及平原南部是降雪较少的区域, 降雪区域差异明显。在空间上, 大兴安岭北部( 长白山地区) 是降雪增加( 减少) 最大的地区, 小兴安岭地区( 平原地区) 是降雪增加( 减少) 较明显的地区。在 0世纪 9 0年代发生了突变, 目前增加趋势显著, 而东北南区降雪量是减少的。 时间上, 东北北区降雪量呈增加趋势, 且在 2 关键词: 降雪; R E O F ; 气候趋势; 突变; 中国东北地区
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分析了降雪的时空演变、 气候趋势和气候突变等方 面, 以期对东北地区降雪变化特征和趋势有更深入 探讨。
2 资料与方法
本文使用的是中国气象局气象信息中心资料室 整理的全国 7 5 9个台站 1 9 6 0 —2 0 0 5年的逐日降水和 逐日天气现象资料。剔除缺测 1 0a ( 包括 1 0a ) 以上 的台站、 变更站址的台站、 东部地区的高山站、 季节 站、 低纬度地区年平均降雪量小于 1 0m m 的台站, 剩余 5 6 9个台站用于研究。 2 1 资料预处理 降雪量是根据逐日降水量和逐日天气现象两个 参数统计的。当某日有降雪天气现象, 则认为当日 降水量为降雪量; 如某日有降水量而对应的天气现 象缺测时, 则认为当日降雪量为缺测, 若一个月累计 缺测达 5d 或以上, 该月不列入计算; 一年累计缺测 达3 0d 或以上, 该年不列入计算。以大于0 1m m为 一次有效降雪。另外, 由于雪和雨夹雪不易区分, 将 雨夹雪当作雪来计算。累加一个月中所有的降雪量 作为当月降雪量。以当年 9月 1日至翌年 5月 3 1日 为当年降雪年度, 建立各个站点的年降雪序列。考 虑到各地降雪时间的差异, 东北北部地区以当年 9 月 1日至翌年 6月 3 0日为当年降雪年度; 西北高山 和高原地区, 以当年 9月 1日至翌年 8月 3 1日为当 年降雪年度。因各台站在 1 9 6 0年前后都已建立了 9 6 0年开始计算共有 比较完整的观测数据, 所以从 1 4 6a 的序列长度。按 WMO 建议, 1 9 7 1 —2 0 0 0年区
长 白 山 地 区 降 雪 呈 减 少 趋 势,减 少 量 约 为 1 2m m/ 1 0a 左右。 3 2 降雪时间变化 研究降雪随时间的变化特征, 可以了解降雪随 年代变化的趋势和幅度, 深入探讨降雪的年代际变 化、 振荡态势及是否存在突变等。为了定量地了解 降雪序列年代际变率的变幅和是否存在突变现象, 计 算了标准化累积距平并进行 了 M -K 检验。 图5
图3 东北地区年平均降雪量
要意义。图 4为经过 5 % 显著性检验的降雪气候趋 势系数( a ) 和气候倾向率( b ) 分布图。从图 4 a 可见,
图4 降雪的气候趋势系数和倾向率空间分布
大兴安岭中北部和小兴安岭地区趋势系数为正值, 部分地区大于 0 6 , 也就是说近 4 6a 来我国北方的 最大积雪深度带地区降雪量是增加的。另外, 辽宁 中部趋势系数也为正值, 平原地区和长白山地区为 负值。从图 4 b 可见, 大兴安岭中北部和小兴安岭地 区降雪增加量最大在 1 2m m/ 1 0a 以上, 这与李培基 [ 1 6 ] 的研究结论相吻合 , 辽宁中部与平原地区降雪变 化量相当, 每1 0a 变化 3m m 左右。需要指出的是,
降雪区域差异明显。 大兴安岭、 小兴安岭和长白山
3 结果分析
3 1 降雪空间变化特征 3 1 1 降雪分布特点 图 3为东北地区各台站 1 9 6 0 —2 0 0 5年的年平 均降雪量图。降雪分布清楚地反映了东北地区的地 理特征, 表现为周围山地降雪多, 中部平原降雪少,
实心圆为北区; 空心圆为南区
图1 R E O F分析的第 3 荷载向量场和第 6 荷载向量场的空间分布
心最大值为 0 8 2 8 , 代表站为黑龙江绥化; 南区荷载 向量中心最大值为 0 8 4 , 代表站为辽宁营口, 与南区 相近的华北区荷载向量中心最大值为 0 8 0 , 代表站 为山西榆社。从图 1可以看出, 南北区荷载向量场 分别表现出一致的正值, 其空间一致性与不同的大 尺度系统影响有关, 这也正说明南北区的降雪是由 不同的天气系统影响造成的。经过挑选、 相关系数 0 2个台站归入东北地区, 其中北区有 5 2 的计算, 有1 个, 南区有 5 0个 ( 图2 ) 。站 点 的 分 布 基 本 吻 合 了 R E O F荷载向量场的分布特征。
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气象与环境学报
第2 6卷
间求气候平均值。 2 2 研究方法 为了消除年降雪量的高频变化, 保留较长周期 年代际变化情况, 保留时间序列的完整性, 采用 1 1a [ 8 ] 的二项式系数加权平均法 对年降雪量进行平滑。 为了研究气象要素在气候变化中升降的定量程度, 并可对其进行统计检验, 计算了 4 6a 降雪的气候趋 [ 9 ] 势系数和气候倾向率 来 研 究 气 候 变 化 的 定 量 程
曲线为滑动平均; 直线为线性趋势
图5 东北地区年降雪量的标准化累积距平和滑动平均及线性趋势
为标准化累积距平柱形图, 图 6为 M - K检验曲线。
从图 5 a 可见, 2 0世纪 6 0年代北区处于少雪期,
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气象与环境学报
第2 6卷
1 9 7 2 年 至8 0 年代末为多雪期。 9 0 年代前期处于少
图2 东北地区站点的空间分布
地区 是 最 主 要 的 降 雪 地 区, 年平均降雪量均在 6 0m m以上, 其中大兴安岭北部和长白山地区超过 9 0m m, 而中部平原地区年平均降雪量较少, 特别是
第 1期
孙秀忠等: 1 9 6 0 —2 0 0 5年东均在 3 0m m 以下。大兴安岭北部地区纬
度高, 受北方冷空气影响强度大、 次数多、 时间长, 容 易造成大的降雪, 降雪时间从当年 9月, 一直可以持 续到翌年 6月, 这里也是我国南北积雪最大深度带
1 4 ] 中的北方积雪带 [ 。长白山地区受东部海洋影响 比较大, 也是我国北方主要的降雪区和积雪区。平
原地区属于暖温带大陆性季风气候, 是我国的半干 [ 1 5 ] 旱半湿润地区 , 冬季主要受北方冷空气和西风带 系统影响, 年降雪量低于全国气候平均值。 3 1 2 气候趋势系数和气候倾向率 对降雪长期气候趋势的研究是必要的, 特别是 在当前气候增暖气温升高的背景下, 研究东北地区 降雪如何变化, 对于未来的预报和服务工作具有重
第2 6卷 第 1期 2 0 1 0年 2月
气象与环境学报 J O U R N A LO FME T E O R O L O G YA N DE N V I R O N ME N T